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        水切割機(jī)床主要支承件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

        2018-02-21 02:30:54季鵬王成陽
        科技視界 2018年33期
        關(guān)鍵詞:有限元分析優(yōu)化設(shè)計(jì)

        季鵬 王成陽

        【摘 要】本文利用有限元分析軟件對(duì)某型水切割機(jī)床的主要支承件進(jìn)行了靜態(tài)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先,根據(jù)受力情況適當(dāng)簡化整機(jī)結(jié)構(gòu)、構(gòu)建水切割機(jī)床的實(shí)體模型;然后,利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)簡化后的模型進(jìn)行靜態(tài)分析,得到機(jī)床的應(yīng)力分布和位移分布云圖,找出結(jié)構(gòu)上的薄弱環(huán)節(jié)。最終,以結(jié)構(gòu)安全可靠為原則、運(yùn)用ANSYS Workbench軟件對(duì)該機(jī)床的橫梁和床身兩個(gè)主要支承件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。所得到的新支承件結(jié)構(gòu)更加合理,對(duì)降低生產(chǎn)成本方面具有重要參考價(jià)值。

        【關(guān)鍵詞】水切割機(jī)床;有限元分析;優(yōu)化設(shè)計(jì)

        中圖分類號(hào): TG48 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 2095-2457(2018)33-0025-002

        DOI:10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.33.010

        0 引言

        水切割,又稱水刀,屬于冷切割。其工作原理為液體增壓原理,即由設(shè)備中的轉(zhuǎn)能裝置將機(jī)械能全部轉(zhuǎn)換成對(duì)水壓力能后從小孔噴出,繼而全部轉(zhuǎn)換成動(dòng)能、形成高速水射流,對(duì)被切工件進(jìn)行沖擊破壞。

        1 初始設(shè)置

        1.1 三維模型的建立及簡化

        該型水切割機(jī)床X、Y、Z軸的行程分別為1.5m、2.5m、0.31m,主要由床腿、床身、滑臺(tái)、底座、橫梁等部件組成,結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。在ANSYS中進(jìn)行幾何建模相對(duì)于在其他軟件進(jìn)行幾何建模比較困難;除非模型便于使用參數(shù)化建模方法,否則一般不在ANSYS中建立模型[1]。因此,該機(jī)床最終使用SolidWorks軟件建立零部件和整機(jī)的三維實(shí)體模型。隨后按照忽略非承載件、構(gòu)件表面光滑化、簡化非關(guān)鍵部件、主從節(jié)點(diǎn)原則、理想焊接和載荷分配,這六條準(zhǔn)則進(jìn)行模型的簡化。簡化后用于分析計(jì)算的模型如圖1所示。

        1.2 有限元模型的建立

        用SolidWorks軟件將簡化后的三維模型以Parasolid保存,并導(dǎo)入有限元ANSYS軟件,本文分析、研究的水切割機(jī)床大部分零部件為空間不規(guī)則幾何體,故選擇三維10節(jié)點(diǎn)SOLID187四面體結(jié)構(gòu)單元來進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分以提高后期分析計(jì)算的準(zhǔn)確性;其中橫梁為薄壁、規(guī)則的焊接件,其長度值接近其厚度的600倍,滿足選用殼單元的基本原則,但是橫梁的內(nèi)側(cè)和外側(cè)都有零件接觸,如果使用普通的殼單元無法建立幾何模型,而且還會(huì)影響計(jì)算精度,故改用三維8節(jié)點(diǎn)SOLSH190實(shí)體-殼單元進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分。

        2 支承件的有限元靜力分析

        2.1 橫梁靜力分析

        在定義了單元類型、材料屬性、網(wǎng)格劃分、接觸定義、施加載荷及約束之后對(duì)有限元模型進(jìn)行求解,通過后處理器查看需要的結(jié)果[2]。

        如圖2所示,從橫梁的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布云圖可以看出,橫梁結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力值分布區(qū)間為1.12*10-5至30.9513MPa,最大等效應(yīng)力約為30.96MPa,位于橫梁下表面與底座接觸處,但其值仍遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力。橫梁結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力分布較為均勻,大多數(shù)區(qū)域的等效應(yīng)力在4MPa以下。材料Q235的屈服強(qiáng)度為235MPa,所以安全系數(shù)N=σs/σmax=235/30.9513≈7.59,超過手冊(cè)最低要求、整體結(jié)構(gòu)是安全的。在橫梁與底座的連接處和橫梁側(cè)面與導(dǎo)軌連接處出現(xiàn)輕微的應(yīng)力集中,但此處的最大應(yīng)力值仍遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力,對(duì)橫梁整體的剛度影響不大。所以橫梁從應(yīng)力角度分析,完全能夠滿足強(qiáng)度要求,而且還具有較大的結(jié)構(gòu)優(yōu)化空間。橫梁結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力分布如下表1所示。

        從橫梁結(jié)構(gòu)總變形如圖3所示,橫梁的總變形量如表2所示:總變形量可達(dá)0.196mm,橫梁結(jié)構(gòu)在三個(gè)方向上最大變形分別約為0.046mm、0.043mm、0.188mm。由于水切割機(jī)床為三軸機(jī)床、主要加工平面輪廓類零件,工作平面為X軸和Y軸所構(gòu)成的G17平面,因此影響切割精度的主要為X方向和Y方向的變形。該機(jī)床的加工精度為0.1mm,因此橫梁X方向和Y方向的變形滿足精度要求,而且兩個(gè)方向的變形差距較小。但Z方向的變形較大,可通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化,以增大橫梁Z方向的剛度。

        2.2 床身靜力分析

        如圖4所示,從床身的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布云圖可以看出,床身結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力值分布區(qū)間為0.0523-30.685MPa,最大等效應(yīng)力約為30.685MPa,位于床身下表面與床腿接觸處,但其值仍遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力。橫梁結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力分布較為均勻,99%區(qū)域的等效應(yīng)力在4MPa以下。材料HT250的條件屈服強(qiáng)度為150MPa,所以安全系數(shù)N=σs/σmax=150/30.6849≈4.8,超過手冊(cè)最低要求、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是安全的。應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在床身與床腿接觸的尖端,但此處的最大應(yīng)力值仍遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力,對(duì)床身整體的剛度影響不大。所以床身從應(yīng)力角度分析,完全能夠滿足強(qiáng)度要求,而且還具有較大的結(jié)構(gòu)優(yōu)化空間。床身結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力分布如表3所示。

        如圖5所示,從床身結(jié)構(gòu)總變形云圖可以看出,床身的總變形最大值約為0.1093mm,位于床身最右端。由于分析時(shí)將橫梁放置于床身最右端,定性的分析來看,非常符合理論分析,向右端區(qū)域變形值呈增大的趨勢(shì)。如表4所示,床身結(jié)構(gòu)在三個(gè)方向上最大變形分別約為0.0153mm、0.0155mm、0.1086mm。其中X方向與Y方向的變形差距較小,但Z方向的變形較大,可通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化,以增大床身Z方向的剛度,使床身結(jié)構(gòu)剛度分布更加合理。

        3 機(jī)床支承件的優(yōu)化設(shè)計(jì)

        由橫梁的靜力分析可知,橫梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度較高,但在三個(gè)方向上剛度分布不均勻,其中Z方向的變形最大。這種結(jié)果主要是由于Y軸導(dǎo)軌的安裝位置導(dǎo)致的,兩導(dǎo)軌都安裝在橫梁的側(cè)壁上,所以橫梁和主軸的重心都偏向了一側(cè)。因此,可以通過改變導(dǎo)軌的布置方式,來改變橫梁的應(yīng)力分布,使其盡量分布均勻。改進(jìn)后具有對(duì)稱分布特點(diǎn)的新導(dǎo)軌布置形式如圖6所示,這樣可以保證實(shí)際重心位置具理論最佳位置距離最短,可有效的減少橫梁的扭轉(zhuǎn)變形。

        將改進(jìn)導(dǎo)軌布置方案重新建模后,再次使用ANSYS Workbench進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,得到如圖7(a)和(b)所示的橫梁和床身拓?fù)鋬?yōu)化云圖。

        4 結(jié)語

        通過使用ANSYS Workbench對(duì)該設(shè)備的主要支承件(橫梁和床身)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,并根據(jù)仿真結(jié)果完成對(duì)了橫梁和床身的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,最后的得到新結(jié)構(gòu)模型符合使用要求。優(yōu)化后橫梁的重量減少了約20kg,床身的重量從減少了約110kg。優(yōu)化后機(jī)床不僅降低了整機(jī)的總質(zhì)量、節(jié)約了材料成本,而且依然能夠保持較高的強(qiáng)度和剛度。

        【參考文獻(xiàn)】

        [1]張向東.完全掌握ANSYS14.5有限元分析超級(jí)手冊(cè)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

        [2]許俊.懸臂式1525水切割機(jī)床力學(xué)特性分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].東南大學(xué),2013.

        [3]魏國峰.基于ANSYS數(shù)控車床床身有限元結(jié)構(gòu)分析[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008(12).

        [4]徐丹.水切割機(jī)床橫梁立柱有限元分析及優(yōu)化[J].南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2016(6).

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